海管路由挖溝地質(zhì)條件分析與評(píng)價(jià)

劉雙雙

(中海油田服務(wù)股份有限公司， 天津 300451)

海管路由挖溝地質(zhì)條件分析與評(píng)價(jià)

劉雙雙

(中海油田服務(wù)股份有限公司， 天津 300451)

海管路由區(qū)海底的地質(zhì)條件不僅關(guān)系到海管的運(yùn)營(yíng)安全，還關(guān)系到海管的鋪設(shè)施工作業(yè)，以實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目為例，闡述在海管挖溝鋪設(shè)前所進(jìn)行的海底地質(zhì)調(diào)查研究中土質(zhì)參數(shù)的選取、土層對(duì)比、疏浚土分級(jí)與評(píng)價(jià)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，分析討論在參數(shù)選取和土層對(duì)比環(huán)節(jié)中存在的一些常見問(wèn)題并針對(duì)這些問(wèn)題提出相應(yīng)的解決方法。實(shí)踐證明，這些方法有利于對(duì)海底土層工程性質(zhì)的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

海管路由；挖溝；地質(zhì)條件；疏浚土

0 引言

在海洋油氣勘探開發(fā)的整個(gè)鏈條中，海底油氣管道直接關(guān)系著正常的油氣運(yùn)輸以及油氣田的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。在海洋環(huán)境復(fù)雜惡劣、海底地質(zhì)條件較差的海管路由區(qū)，為避免海底管道受到海洋環(huán)境、漁業(yè)等外部因素的影響和破壞，保證海管的運(yùn)營(yíng)安全和穩(wěn)定，對(duì)海管進(jìn)行挖溝填埋一直以來(lái)都是油田建設(shè)過(guò)程中普遍使用的一種技術(shù)。

海底管道挖溝埋設(shè)主要包括預(yù)挖溝、邊挖溝邊埋設(shè)和后挖溝等3種方法。在我國(guó)渤海海域，除近岸段管道外，大多采用后挖溝方法埋設(shè)[1]。目前，用于管道鋪設(shè)的挖溝設(shè)備主要包括犁式挖溝機(jī)、噴沖式挖溝機(jī)、噴沖式ROV(Remotely Operated underwater Vehicle)、機(jī)械式挖溝機(jī)和深水挖溝機(jī)等[2]，不同類型的挖溝設(shè)備對(duì)海底淺層土質(zhì)條件均有各自的適用性。在管道鋪設(shè)挖溝施工前，對(duì)海管路由區(qū)海底地質(zhì)條件的調(diào)查分析將直接影響對(duì)所選用挖溝機(jī)能力的評(píng)估和類型的選取。所以，對(duì)路由區(qū)地質(zhì)條件進(jìn)行精確的評(píng)價(jià)和分析是非常重要也是十分必要的，如果對(duì)海管路由區(qū)地質(zhì)條件評(píng)估不準(zhǔn)確，將可能直接影響海底管道現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)施工作業(yè)的進(jìn)度，從而影響整個(gè)油田正常的投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。

在平臺(tái)和海管設(shè)計(jì)階段往往也要進(jìn)行一些相關(guān)的地質(zhì)調(diào)查工作。在以往很多管道挖溝鋪設(shè)的實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目中，操作者往往直接參考設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)資料，卻忽視了在設(shè)計(jì)階段的一些問(wèn)題，如調(diào)查解釋資料鉆孔間距大、土質(zhì)參數(shù)選取不合理以及挖溝施工作業(yè)針對(duì)性差等。所以，在一些挖溝項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，給現(xiàn)場(chǎng)施工造成困難，影響施工進(jìn)度，增加生產(chǎn)成本。

以渤海A和B兩個(gè)項(xiàng)目為例，通過(guò)對(duì)物探和地質(zhì)資料的綜合分析，對(duì)管道挖溝階段的地質(zhì)評(píng)價(jià)中所涉及到土質(zhì)參數(shù)的選取、層位劃分、疏浚土評(píng)價(jià)分級(jí)等問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的探討和論述。

1 調(diào)查和評(píng)價(jià)方法

1.1 評(píng)價(jià)深度

海管的填埋挖溝深度一般由所鋪設(shè)海管的直徑以及不同海域海管頂部距海底面的安全深度來(lái)確定[3，4]，美國(guó)船級(jí)社《Guide for Building and Classing Subsea Pipeline Systems and Risers》規(guī)范中規(guī)定：海管頂部距離海底面的標(biāo)準(zhǔn)安全深度為0.9 m[5]。目前世界上用于油氣運(yùn)輸?shù)墓艿乐睆揭话銥?.203 2～1.320 8 m[6,7]。一般情況下，海底油氣管道的埋設(shè)深度不會(huì)大于海底泥面以下3 m，所以在海管挖溝前進(jìn)行地質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)評(píng)價(jià)海底面以下3～5 m的土層。

1.2 資料綜合解釋分析

將地質(zhì)鉆孔資料投影到物探資料中，并進(jìn)行綜合分析對(duì)比，通過(guò)細(xì)分層位、細(xì)化黏性土土層強(qiáng)度等方法，重新選取適合于挖溝施工作業(yè)的土質(zhì)參數(shù)，并對(duì)土層在橫向和縱向上進(jìn)行更加精確的評(píng)估。

1.3 疏浚土分級(jí)與可挖性評(píng)價(jià)

海底管道的挖溝鋪設(shè)屬于疏浚工程的范疇。通過(guò)對(duì)調(diào)查區(qū)域海底淺部土層在橫向和縱向上物理力學(xué)性質(zhì)的整體把握，同時(shí)依據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的疏浚工程規(guī)范[8-10]，對(duì)研究區(qū)內(nèi)土層按照疏浚土的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類評(píng)級(jí)。疏浚巖工工程特性和分級(jí)見表1[9]，確定各類土層在橫向上的分布情況。最后準(zhǔn)確評(píng)估土層的可挖性，以此作為評(píng)估備選挖溝設(shè)備的重要依據(jù)[11]。

表1 疏浚巖土工程特性和分級(jí)

續(xù)表1 疏浚巖土工程特性和分級(jí)

但是目前國(guó)內(nèi)關(guān)于疏浚土的相關(guān)規(guī)范頒布時(shí)間較早，對(duì)當(dāng)前很多新型挖溝設(shè)備缺少更新補(bǔ)充，所以在使用過(guò)程中，要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對(duì)規(guī)范中所涉及的設(shè)備與較新型備選挖溝設(shè)備的作業(yè)方式、作業(yè)能力和性能等方面進(jìn)行對(duì)比，綜合選擇合適的挖溝設(shè)備進(jìn)行施工作業(yè)。

2 關(guān)鍵技術(shù)探討

2.1 土質(zhì)參數(shù)的選取

與挖溝施工作業(yè)密切相關(guān)的海底土壤參數(shù)主要包括黏性土的黏聚力和粒狀土的內(nèi)摩擦角[12]。由于用途不同，在管道挖溝施工作業(yè)和管道設(shè)計(jì)階段所選取和參考的土質(zhì)參數(shù)存在一定的差異，見表2。

表2 不同階段所選取土質(zhì)參數(shù)的差異

對(duì)于黏性土層，用于管道設(shè)計(jì)的參數(shù)應(yīng)當(dāng)選取層內(nèi)所有樣品試驗(yàn)數(shù)值的平均值，用以代表該層位整體的強(qiáng)度特征，而在挖溝施工階段，應(yīng)當(dāng)選取層內(nèi)樣品試驗(yàn)值的較大值甚至最大值(見表2)，以保證層內(nèi)黏性土強(qiáng)度盡可能在所選用挖溝設(shè)備的作業(yè)能力范圍之內(nèi)。但是，對(duì)于那些明顯超出同層位其他樣品的個(gè)別強(qiáng)度試驗(yàn)值，應(yīng)當(dāng)綜合考慮周邊鉆孔同層土性質(zhì)，必要時(shí)要在附近增加鉆孔，以確定土層強(qiáng)度異常的準(zhǔn)確性。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，如果選用海管設(shè)計(jì)階段的黏性土參數(shù)來(lái)指導(dǎo)挖溝作業(yè)，會(huì)低估海底土層分布復(fù)雜或個(gè)別層位土質(zhì)異常偏硬作業(yè)區(qū)段的土層強(qiáng)度，從而給現(xiàn)場(chǎng)施工造成困難。

以A項(xiàng)目為例，在海管挖溝施工初期參考的是管道設(shè)計(jì)階段的土質(zhì)參數(shù)，黏性土層強(qiáng)度參數(shù)一般采用的是試驗(yàn)平均值(見表3)，土層強(qiáng)度評(píng)估不合理，導(dǎo)致選用的挖溝設(shè)備不適合個(gè)別路由段的施工作業(yè)，在現(xiàn)場(chǎng)挖溝施工時(shí)出現(xiàn)挖溝困難的情況，嚴(yán)重影響管道鋪設(shè)進(jìn)度。針對(duì)這些問(wèn)題，施工后期對(duì)挖溝困難區(qū)段土層再次調(diào)查并重新選取了土質(zhì)參數(shù)，對(duì)土層進(jìn)行了重新評(píng)估。評(píng)估結(jié)果顯示，土層參數(shù)大部分被低估，低估程度為33.3%～268%。隨后調(diào)整挖溝施工設(shè)備，順利完成后續(xù)的挖溝鋪管作業(yè)。

對(duì)于粒狀土，挖溝階段和管道設(shè)計(jì)階段一樣，都采用固結(jié)排水試驗(yàn)實(shí)測(cè)出的有效內(nèi)摩擦角作為參考來(lái)確定土層參數(shù)。但是，由于大部分區(qū)段的管道需要在水下進(jìn)行挖溝鋪設(shè)，對(duì)于粒狀土層的疏浚施工還涉及到土層的回淤問(wèn)題，所以對(duì)粒狀土的評(píng)價(jià)還要重點(diǎn)關(guān)注土層的顆粒組成成分、砂粒純度和黏粒含量等土層性質(zhì)，對(duì)于較純且厚度較大的砂性土層要明確指出，并確定其橫向展布范圍，提醒現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)特別關(guān)注。

2.2 土層對(duì)比

由于管道路由是沿橫向鋪設(shè)的，所以在單個(gè)鉆孔確定了縱向上的層位和土質(zhì)參數(shù)之后，還必須掌握海底土層的橫向分布情況。需要將工程地質(zhì)和工程物探資料進(jìn)行綜合對(duì)比分析，這樣既實(shí)現(xiàn)了調(diào)查資料的互補(bǔ)，又能夠?qū)φ{(diào)查區(qū)域內(nèi)海底淺層土進(jìn)行整體把握。

但是在生產(chǎn)實(shí)踐中，依據(jù)物探資料和地質(zhì)資料劃分的層位往往存在一定差異。造成差異的主要原因是工程物探和工程地質(zhì)分層解釋的原理不同。工程物探資料的分層解釋主要是根據(jù)對(duì)反射同相軸的追蹤，分層界面反映的是海底土層對(duì)聲波反射的波阻抗(土層密度與聲波速度的乘積)的差異響應(yīng)，而工程地質(zhì)鉆孔中所劃分的層位界面主要根據(jù)土層的土質(zhì)類型來(lái)進(jìn)行確定。只有當(dāng)土層性質(zhì)(土質(zhì)類型、強(qiáng)度或密實(shí)度)發(fā)生明顯變化時(shí)，根據(jù)物探和地質(zhì)資料所劃分的層位界面才比較一致，如圖1所示。根據(jù)地質(zhì)資料劃分的同一層位中，如果土層中的物質(zhì)成分、包含物、強(qiáng)度、密實(shí)度等存在差異時(shí)，物探資料也會(huì)有所反應(yīng)，造成層位界面劃分的差異。此外，地質(zhì)鉆孔和物探資料采集過(guò)程中產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差也會(huì)造成分層界面的差異。

圖1 B項(xiàng)目中E點(diǎn)至G點(diǎn)管道路由電火花剖面

為了解決以上問(wèn)題，當(dāng)發(fā)現(xiàn)所劃分的土層界面存在差異時(shí)，要對(duì)工程地質(zhì)鉆孔資料進(jìn)行再次分析，參考物探資料，對(duì)土層在同一層位中的強(qiáng)度、密實(shí)度等進(jìn)行細(xì)分，實(shí)現(xiàn)對(duì)土層層位的精細(xì)劃分，同時(shí)也在土層縱向上為施工作業(yè)提供更精準(zhǔn)的土質(zhì)參數(shù)。

以B項(xiàng)目中E～G點(diǎn)路由剖面為例，由于PL2和G孔位鉆孔資料顯示海底面以下0～5 m深度范圍內(nèi)均為黏性土，所以在路由設(shè)計(jì)階段只給出了一個(gè)土層參數(shù)，并沒(méi)有劃分層界面，如圖2(a)和圖3(a)所示(圖中Tv代表手動(dòng)十字板試驗(yàn)，Mv代表電動(dòng)十字板試驗(yàn))。在挖溝鋪設(shè)階段設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，通過(guò)對(duì)黏性土強(qiáng)度試驗(yàn)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并細(xì)化，然后再與物探資料同等深度的界面進(jìn)行對(duì)比，在3.5 m深度附近分出一個(gè)土層界面，如圖2(b)，圖3(b)所示，提高了地質(zhì)與物探資料所劃分層位的吻合度，同時(shí)增加了給定土層強(qiáng)度參數(shù)的針對(duì)性和整個(gè)剖面層界面的一致性。如前文所述，由于分別利用物探資料和地質(zhì)資料劃分層位的基本原理不同，故在層位劃分時(shí)必然會(huì)存在差異，如圖1中R2界面，在物探資料上雖然很清晰，但利用地質(zhì)資料是劃分不出的，而此界面上下土層性質(zhì)無(wú)明顯變化，所以工程上這些層界面可只作參考，不做太多關(guān)注。

圖2 PL2孔位層界面調(diào)整前后對(duì)比

圖3 G孔位層界面調(diào)整前后對(duì)比

除此之外，還可以增加原位靜力觸探(PCPT)測(cè)試項(xiàng)目。PCPT測(cè)試具有資料采集連續(xù)、可靠性高等特點(diǎn)，可以在以下幾個(gè)方面提高對(duì)地質(zhì)條件的分析評(píng)價(jià)水平：(1) 資料連續(xù)，可以更準(zhǔn)確地分析土層的土質(zhì)成分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土層位的準(zhǔn)確把握；(2) CPT屬于原位測(cè)試，避免了取樣過(guò)程中對(duì)土層的擾動(dòng)，能夠更精確地反映和把握土層性質(zhì)；(3) 可以通過(guò)與鉆孔取樣資料的對(duì)比，消除系統(tǒng)誤差。

2.3 可挖性評(píng)價(jià)

疏浚土的可挖性反映了巖土開挖的難易程度，其主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為土層密實(shí)度、天然重度和抗壓強(qiáng)度。此外，疏浚土的可挖性對(duì)于不同的挖溝施工設(shè)備來(lái)說(shuō)也是不同的，可以此作為評(píng)判選擇挖溝設(shè)備的重要標(biāo)準(zhǔn)。

表4列出了B項(xiàng)目中淺部土層的疏浚土分類和可挖性評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)果顯示B項(xiàng)目調(diào)查區(qū)內(nèi)海底淺部土層主要以3級(jí)疏浚土為主，對(duì)于表4中列出的3種類型挖溝船開挖難度均為“容易”，只有少數(shù)孔位的土層較難挖掘。

表4 B項(xiàng)目中疏浚土分級(jí)及評(píng)價(jià)結(jié)果

此外，需繪制出各類疏浚土在路由區(qū)內(nèi)的分布情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)疏浚土分布的整體把握，確定較難施工的作業(yè)區(qū)段(較純的粒狀土和強(qiáng)度較大的黏性土出現(xiàn)的土層區(qū)段)，提醒作業(yè)者重點(diǎn)關(guān)注，必要時(shí)調(diào)整挖溝設(shè)備，使現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)更有針對(duì)性，提高工作效率。圖4為B項(xiàng)目中疏浚土的分布圖，從圖4中可以看出，作業(yè)者要對(duì)存在4級(jí)、8級(jí)和9級(jí)疏浚土的F-PL9，PL11-A和E-PL8等3個(gè)路由區(qū)段進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，必要時(shí)采取相應(yīng)措施，以保證現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的順利開展。

3 結(jié)論與建議

(1) 利用物探和地質(zhì)資料對(duì)比分層的方法能夠?qū)崿F(xiàn)在橫向上對(duì)調(diào)查區(qū)內(nèi)海底土層的準(zhǔn)確把握。同時(shí)，對(duì)土層進(jìn)行精細(xì)劃分能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)土層性質(zhì)更精確的評(píng)價(jià)，對(duì)挖溝施工作業(yè)更有針對(duì)性，從而為挖溝施工作業(yè)提供更加精確的土層信息和施工作業(yè)指導(dǎo)依據(jù)。實(shí)踐結(jié)果表明，以上方法可以在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

(2) 在以后針對(duì)海管鋪設(shè)挖溝所進(jìn)行的地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)的相關(guān)項(xiàng)目中，建議增加原位靜力觸探(PCPT)測(cè)試，進(jìn)一步提高對(duì)海底土層評(píng)估的準(zhǔn)確度。

(3) 對(duì)于海底底質(zhì)較復(fù)雜或土層變化較大的工區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)要進(jìn)行加密鉆孔，更準(zhǔn)確地了解海底土層性質(zhì)和橫向展布情況，為挖溝施工提供更詳實(shí)、可靠的地質(zhì)資料。

(4) 如果解釋成果中出現(xiàn)部分區(qū)域個(gè)別孔位強(qiáng)度異常偏大或土層界面突變等現(xiàn)象，應(yīng)給予足夠重視，確定異常區(qū)域的范圍。當(dāng)施工到該區(qū)域時(shí)，及時(shí)提醒現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員，必要時(shí)調(diào)整施工設(shè)備或方案，防止現(xiàn)場(chǎng)施工困難，影響作業(yè)進(jìn)度和效率。

圖4 B項(xiàng)目中疏浚土分布圖

[ 1 ] 熊海榮. 海底管道后挖溝分析[J].中國(guó)造船，2009，62(S)：645-650.

[ 2 ] 李文濤，葛彤. 挖溝機(jī)相關(guān)技術(shù)進(jìn)展[J].船海工程，2010，39(4)：146-150.

[ 3 ] 馬良.海底管道埋設(shè)技術(shù)論證[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，1999，14(6)：17-20.

[ 4 ] DNV.Submarine pipeline systems：DNV-OS-F101 [S].2000.

[ 5 ] ABS. Guide for building and classing subsea pipeline systems and risers [S].2004.

[ 6 ] 劉曉昀. 我國(guó)海底管道及焊接技術(shù)[J].中國(guó)造船，2003(S)：65-70.

[ 7 ] 劉梁華，張世富. 海底管道發(fā)展現(xiàn)狀淺述[J].中國(guó)儲(chǔ)運(yùn)，2011(11)：108.

[ 8 ] 中華人民共和國(guó)交通部.疏浚工程技術(shù)規(guī)范：JTJ 319-1999[S].1999.

[ 9 ] 中華人民共和國(guó)交通部.疏浚巖土分類標(biāo)準(zhǔn)：JTJT 320-1996[S].1997.

[10] 中華人民共和國(guó)交通部.疏浚工程施工技術(shù)規(guī)范：SL 17-1990[S].1990.

[11] 高偉. 國(guó)內(nèi)外疏浚挖泥設(shè)備的對(duì)比與分析[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2009，16(2)：63-67.

[12] 宮含洋，王立權(quán)，邢曉冬，等.海底犁式挖溝機(jī)犁體建模及土壤裂解研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2012，48(19):134-140.

Analysis and Evaluation of Geological Conditions of Submarine Pipeline Route for Trenching Excavation

LIU Shuangshuang

(China Oilfield Services Limited, Tianjin 300451， China)

Due to the fact that the geological conditions of submarine pipeline route are related to not only the safety of pipe operation, but also the pipe-laying process, some technical key issues in submarine geological investigation and study before trench excavation and burying for submarine pipes, including soil parameters selection, stratum comparison, and classification and evaluation of dredged soil, are expounded by the example of practical projects. Some common problems found in parameter selection and stratum comparison stages are analyzed, and corresponding methods are presented in order to solve these problems. It is demonstrated that these methods are good for accurately evaluating engineering properties of submarine soil.

submarine pipeline route; trench excavation; geological condition; dredged soil

2016-04-21

劉雙雙(1984-)，男，工程師

1001-4500(2017)01-0078-07

P67

A